基于全耗盡平面晶體管技術(shù)的NovaThor平臺(tái)設(shè)計(jì)

隨著智能手機(jī)功能最近不斷升級演化，消費(fèi)者的期望值日益攀升。速度更快的多核高主頻CPU處理器、令人震撼的3D圖形、全高清多媒體和高速寬帶現(xiàn)已成為高端手機(jī)的標(biāo)配。同時(shí)，消費(fèi)者還期望手機(jī)纖薄輕盈，電池續(xù)航能力至少與以前的手機(jī)持平。對于手機(jī)廠商和設(shè)計(jì)人員來說，消費(fèi)者的期望意味著移動(dòng)芯片需具備優(yōu)異的性能，同時(shí)兼具低成本和低功耗。全耗盡平面晶體管技術(shù) （FD-SOI:Fully Depleted Silicon on Insulator），是滿足這些需求的最佳解決方案。

　　在2012年移動(dòng)通信世界大會(huì)上（Mobile World Congress），意法。愛立信首席執(zhí)行官Didier Lamouche證實(shí)我們的下一代NovaThor平臺(tái)，即NovaThorL8540的后續(xù)產(chǎn)品，將采用28nm FD-SOI制造工藝。

　　FD-SOI技術(shù)目前已經(jīng)可供芯片開發(fā)使用，該技術(shù)將會(huì)使28nm工藝制程的芯片產(chǎn)品在性能和功耗方面有顯著的提升。因?yàn)楣に噺?fù)雜程度相對較低，F(xiàn)D-SOI解決了制程升級、泄漏電流和可變性等問題，能夠?qū)MOS制程節(jié)點(diǎn)進(jìn)一步降至28nm或28nm以下。

　　像FinFET技術(shù)一樣，F(xiàn)D-SOI最初是為20nm節(jié)點(diǎn)及以下開發(fā)設(shè)計(jì)的，能夠突破傳統(tǒng)體效應(yīng)CMOS制程升級的限制因素，例如，高泄漏電流和終端設(shè)備多樣性的難題；但是，又與FinFET技術(shù)不同，F(xiàn)D-SOI保留了傳統(tǒng)體效應(yīng)CMOS工藝的平面結(jié)構(gòu)復(fù)雜度相對較低的優(yōu)點(diǎn)，這可加快工藝開發(fā)和量產(chǎn)速度，降低現(xiàn)有設(shè)計(jì)的遷移難度。意法愛立信、意法半導(dǎo)體、Leti 和Soitec的技術(shù)合作讓我們能夠在28nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)發(fā)揮FD-SOI的優(yōu)勢：先進(jìn)性能、具有競爭力的處理速度/泄漏電流比和優(yōu)化能效。

　　在寬電壓范圍內(nèi)性能領(lǐng)先

　　下圖比較了在慢工藝角（SS）和環(huán)境溫度最惡劣時(shí)ARM Cortex-A9 CPU內(nèi)核的一個(gè)特定關(guān)鍵通道能夠達(dá)到的最高頻率-Vdd電源電壓曲線。

　　每條曲線代表一個(gè)特定的28nm制程：

　　.28HP-LVT是用于移動(dòng)設(shè)備的高性能體效應(yīng)CMOS工藝，瞄準(zhǔn)高性能移動(dòng)設(shè)備CPU,具有處理速度快和柵極氧化層薄的特點(diǎn)，因此，從可靠性看， Vdd 過驅(qū)動(dòng)能力有限（~1.0V）。

　　.28LP-LVT 是一種低功耗的體效應(yīng)CMOS 工藝，過去用于低功耗移動(dòng)應(yīng)用，LP 基于柵氧化層更厚的晶體管，支持更高的過驅(qū)動(dòng)電壓（高達(dá)1.3V）。

　　.28FDSOI-LVT是意法半導(dǎo)體開發(fā)的28nm FD-SOI工藝，柵極結(jié)構(gòu)與28LP相似，也支持1.3V過驅(qū)動(dòng)電壓。

　　在這三種工藝中，只考慮低壓閾值（LVT），因?yàn)樘幵谶@樣的電壓下時(shí)處理性能最高。

　　1.首先觀察到的是，在標(biāo)稱電壓（HP=0.9V,LP=1.0V,FD-SOI=1.0V）時(shí)，F(xiàn)D-SOI的峰值性能與HP工藝相似；在Vdd電壓相同時(shí)，性能比LP高35%.

　　2.此外，隨著Vdd 電壓升高，F(xiàn)D-SOI的性能進(jìn)一步提高，而 HP 工藝無法承受更高的電壓，因此，前者的綜合峰值性能高于后者。

　　3.在工作電壓過低時(shí)，如Vdd=0.6V, LP將無法運(yùn)行或性能很低；FD-SOI與HP工藝相當(dāng)甚至高于HP工藝，但是前者的泄漏電流和動(dòng)態(tài)功耗要比后者低很多，我將在后面的內(nèi)容中給予說明。

　　4.相比體效應(yīng)CMOS工藝，F(xiàn)D-SOI的工藝可變性低，在適合CPU處理非密集型任務(wù)的頻率（200MHz-300MHz）時(shí)，能夠支持更低的工作電壓（最低0.5V），例如，硬件加速音、視頻播放。